《半导体物理学》semi_phys15.ppt

§5.4 复合理论 复合过程有两种： 1、直接复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁，引起电子和空穴的直接复合。 2、间接复合：电子和空穴通过禁带的能级（复合中心）复合。 有体内复合和表面复合。 放出能量的方式有：1、发射光子，辐射复合。2、发射声子；3、将能量传给其它载流子，俄歇复合。 一.带间直接复合-产生机制（Radiation recombination 假定复合率R 正比于载流子浓度n、p 为： R rnp， 其中r 为复合系数。 热平衡 n0 、p0 时应该有：R0 r n0p0， 且有G0 R0； 当处于非平衡 n,p 时，有：U R-R0 rnp - rn0p0 r np - n0p0 ， 过剩载流子的寿命和净复合率的关系： 在小注入情况下（?n、?p 多子浓度）的近似 二.通过复合中心的复合－间接复合 稳态下，复合中心能级上由甲、丁过程造成的电荷积累与乙、丙过程造成的电荷减少应维持不变； 解得 通过对此产生-复合机构中的产生率和复合率的分析，可以得出这种复合机构所决定的过剩载流子寿命的具体形式 讨论： 小注入（?n、?p 多子浓度）时，有如下近似： 强N 型半导体在小注入的 情况下，有n0 p1 、n1 p0 ， 代入上式，得：?n ?p ?p0＝1/rpNt； 费米能级更靠近Ec，复合中心能级Et上被电子全部占满，此时由Et对空穴（少子）的俘获能力决定。 强P 型半导体在小注入的情况下，有p0 p1 、n1 n0 ，代入上式，得： ?n ?p ?n0 ＝1/rnNt ； 假定Et位于禁带下半部， E’t 与Et 关于Ei对称，若Ef在Ei和E’t之间，为 n型高阻区， n0，p0，p1，n1 中p1 n0 , p0 ,n1 ?＝p1/rnNtn0 同样，p型样品高阻区也有： ?＝p1/rpNtp0 高阻样品中，寿命与多数载流子浓度成反比，与电导率成反比。 若Et能级位于禁带的上半部，更接近导带底，则公式中的分子应为n1 三、影响过剩载流子寿命的几个因素： 复合中心能级的位置对寿命的影响 可见，当复合中心位置处于禁带中央时（位于禁带中央附近的深能级），其寿命最小、复合效率最大，是最有效的复合中心。 也表明：浅能级杂质不能起到复合中心的作用。 载流子浓度（费米能级位置）对寿命影响 同前面的过程一样， 等号在n0 p0 ni时成立（本征情况）。可见，当n0 p0 ni 、EF Ei 时，过剩载流子的寿命最长、复合效率最低。 温度对过剩载流子寿命的影响 以N 型半导体为例，假定Et 位于禁带中央的上部；当温度改变时，费米能级EF 的位置要发生变化： a段：当温度较低时， EF处于Et 之上，处于强N 型区，有 n0 n1 p1 p0 ，故有： 此时，τ的温度系数由rp 的温度 系数确定。 b段：当温度升高， EF 变到Et 以下，处于弱N 型区，有n1 n0 p0 p1 ，故有： 在载流子浓度不变的条件下（杂质完全电离，本征激发尚未开始）， τ 的温度系数由rp 和n1 的温度系数决定，此时，n1 温度系数占主要影响。 c段：当温度继续升高，进入本征激发范围时，则有n0 p0 ni p1，故： 可见，由于ni随温度升高，而且增加得比n1 更快，故在此温度段内， τ 随温度升高而下降 深能级杂质的作用 深能级杂质通常不提供载流子，对导电无贡献； 深能级杂质显示的带电问题：当费米能级高于杂质能级时，杂质能级被电子填充，杂质带负电，显示为受主态；当费米能级低于杂质能级时，杂质能级无电子，显示施主态，杂质带正电； 可做为有效的复合中心，缩短非平衡载流子的寿命。 金掺入硅中引入2个深能级，可做为n,p型硅开关器件的掺杂杂质。 三、表面复合 样品表面粗糙、尺寸小也都会降低少子寿命，相当于在表面引入复合中心，促使载流子在表面进行复合,表面复合率为： 表示单位时间通过单位表面积复合而消失的空穴-电子对的数目。 S具有速度量纲，由于表面复合而消失的非平衡载流子如同以垂直表面的速度S流出了表面。 少子寿命值是结构灵敏参数 双极型器件为少子器件，应用寿命长的材料，生产中获得光滑表面以减少载流子复合。 半导体测量中，为消除探针注入所带来的误差影响，须用粗糙表面以增大表面复合来进行测量。 材料中的（某些）杂质、缺陷、表面状态均会促进复合，导致非平衡载流子寿命降低。 四.带间俄歇（Auger）产生-复合机制（Non-Radiation recombination） 带间俄歇复合是一个“三粒子”过程。复合率与n2p或np2成正比。 对于两个电子和一个空穴过程：Ree＝ren2